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大科技杂志社官方网站奈何寻找世界中第五种基本作用力?

文章作者:新浪新闻 文章日期:2021-06-22 阅读人数:0

有越来越多的迹象说明,天地中存在第五种基本作用力。

宇宙 的演化是一幕惊心动魄的连轴大戏。138亿年前,跟着“砰”的一声,幕布拉开了。随后,一幕幕戏轮替上演:一颗颗恒星造成,又以超新星爆炸的形式化为灰烬;众多相邻的恒星组成一个大家庭—星系,星系又组成星系团;恒星坍塌成黑洞;黑洞睁开永不餍足的大嘴,侵夺挨近它的一切;黑洞与黑洞又互相归并,在空间发出时空的悠扬……

可是,这幕 宇宙 大戏我们看得越久,越感到它编排得马虎粗糙,漏洞百出。有些位置情节太短;有些位置剧情跳跃;有的位置只留了个线索就屏绝了;有些角色演得无缘无故……总而言之,在这出戏里,总让你感到欠缺某种本该衔接始终的器械。

天地学家也越来越知道,这样器械是什么。我们要是只有四种基本作用力在驱动天地的演化,但理论和试验说明,基本作用力能够不止四种,而是有五种,六种,乃至更多。若是这一猜度获得证实,那绝对是一件了不起的大事。

莫名其妙的天下暴胀基本作用力在驱动着天下的演化。它们奉告各色“艺人”—从粒子到行星—它们在天下演化这幕戏中扮演什么角色,奈何手脚。我们理解的四种基本作用力是引力、电磁力、弱核力和强核力。个中引力最孤僻,它是唯一不克用粒子物理学的“标准模子”来描述的一种力;可是偏偏是它,酌夺了天下的总体剧情滋长。

天地演化故事中隐含的漏洞,从天地诞生那一刻起就发端了。当前从最大尺度来看,星系似乎漫衍得非常平均;天地到处的温度也非常平均。然则,遵照大爆炸理论,处境不应当是云云的。

为什么呢?我们必要先讲点热力学的知识。热力学奉告我们,在一个气氛密度均匀的房间里,也并不是每一体积单位所包孕的气氛分子数绝对不异;在某一刻,这一体积单位中分子数比平均值多几个,那一体积单位中分子数比平均值少几个,是很闲居的事务。这叫涨落。一般来说,涨落的相对幅度是固定的。这意味着,密度越大,涨落的绝对幅度就越大。比喻,假使涨落的相对幅度是0.001%,当分子密度是10000个/立方米时,涨落只有1个/立方米;当分子密度是10个/立方米时,涨落就达10000个/立方米了。

既然是涨落,有涨有落嘛,于是任何一处的涨落都是不能持久的。这一刻比平均密度多了,下一刻可能就少了。经过议定这种格式,物质漫衍的平均状态得以保持。但这是一种动态的均衡,其条件是,每个体积单元的物质有充分的时间相易;倘使分隔开来,涨落可能就会永久保持。例如我们设想一个精灵,当它一发现房间里某体积单元中分子数比平均值多了10个,就顿时把这块空间分隔起来,那么从此以后,这块空间的密度就恒久比平均值多一十个了。

为什么要说这些呢,因为大爆炸理论最初就遇到如斯一个困难。早期全国物质密度非常大,涨落的绝对值也一定非常大,但另一方面,全国伸展得又很快,各个地域的物质还没来得及充分交换就因空间伸展而彼此隔离了。如斯一来,最初的涨落就被保存下来,而且涨落的绝对幅度是非常大的。这意味着,我们今日观察到的全国应该是很是不平均的,可是这跟事实不符。

为了解决这个问题,有人提出一种所谓的“暴胀假说”。该理论说,六合在诞生之后不久,在极短的光阴内经历了一次暴胀:在远远小于一秒的光阴里,六合的半径增大了至少10倍。暴胀之后,六合又克复了正常的膨胀。暴胀极大地稀释了六合早期的物质密度,使得随后的密度涨落绝对值小了二十六个数量级。这样一来,就算之后各个地区的物质彼此分隔,各自演化,它们之间的不同也不至于太大。所以,我们本日察看到的六合能云云平均。

这个假说很漂亮,是是?但我们不禁要问一句:天下为什么会神经质地暴胀。说实话,对这个问题谁也给不出称心的谜底,并且暴胀假说迄今也别国获得任何观测证据的支持。

至今还没影儿的两样东西前面我们已经谈到了全国演化的第一个离奇剧情:暴胀。

第二个让人困惑的问题是在二十世纪80年代提出来的。我们知道,当一个星系扭转时,构成它的物质也要跟着扭转,假如别国力拉着,扭转的物质就会飞出去。引力在星系中就饰演了拉力的角色,它把星系的各个部分紧紧拽住。我们知道,引力是跟质量成正比的,但天文学家察看到,大多数星系中并别国充足多的可见物质来发作充足强的引力,来拉住星系边缘的物质;不外,奇怪的是星系的边缘居然也别国倒闭。所以,天地学家提出,必然是少少分外的不可见物质的引力保持住了星系。他们称其为“暗物质”。仔细一算,暗物质居然占了天地物质总量的85%左右。但构成这种神秘物质的粒子是什么,它有哪些性子,我们至今都不知道。

第三个难题出在二十世纪90年月末。其时人们经过议定对迢遥的超新星的观测,觉察 宇宙 膨胀正在加速。按理说,在 宇宙 的大尺度上,只有引力在起作用,而引力只会把物质拽在一路,给 宇宙 膨胀“刹车”,因此跟着时间推移, 宇宙 膨胀应该不休减速才合常理。但是而今却剧情大反转, 宇宙 正在加速膨胀,你说多出乎意料?以是, 宇宙 学家只好假想存在一种未知的能量,是它们在黑暗与引力较量,推动 宇宙 加速膨胀。天文学家称之为“暗能量”。源委盘算他们觉察,暗能量在 宇宙 总的物质-能量中,竟然又占大头,比暗物质的份额还大。

暗能量终究是什么?物理学家不得不到量子物理学中找候选者。在量子物理学中,空无一物的真空也是有能量的;不妨说,真空就像一个沸腾的海洋,百般粒子时时从中蹦出又磨灭。可是当世界学家借助真空能来评释暗能量时,他们却觉察,真空的能量太大了,比评释世界加速伸展所须要的暗能量,足足大了120个数量级。看来暗能量不没关系是真空能。那它会是什么呢?世界学家对此束手就擒。

引入新作用力的需要这三个问题也许不是零丁的,也许有着同一个病根。有人认为,病根就在于万有引力上。他们猜疑,现有的描绘引力的理论,不论是牛顿的引力定律仍是爱因斯坦的广义相对论,都是有缺陷的。有人试图“改正”牛顿的万有引力定律,让引力跟距离的二点几次方成反比。如斯引力就弱下来了,似乎不必借助暗能量就能解释六合的加速膨胀,但如斯一来,在其余方面创制的问题比解决的还多。而迄今描绘引力的最严厉的理论—广义相对论就更难动摇了,由于它经过议定了一次次检验,包括近来对黑洞碰撞时发生的引力波的检测。

我们学习写作文,当故事写不下去时,先生就推动我们在故事中引入新角色。同样的真理,当 宇宙 学家束手待毙的时刻,他们也发端思虑要不要在 宇宙 演化这幕大戏中引入新角色。如斯,第五种基本作用力就呼之欲出了。而且,实在有几个迹象证明它可以存在。

让我们先来看看,倘若新的基本作用力存在,它应当具备什么特点,这样在找的时候才能有的放矢。

前面提到,除了引力,电磁力、弱核力和强核力都能够被粒子物理学的“准则模型”评释。在“准则模型”里,它们都是能够被“量子化”的,就是说,它们都有对应的传达作用力的玻色子。譬如,传达电磁力的是光子;传达弱核力的是W和Z玻色子;传达强核力的是胶子。这些粒子都是玻色子。

至于引力呢,如今还没法用量子的言语来描写,由于人们还没有将描写引力的广义相对论与量子理论统一起来。不过,大多数物理学家信赖,它们的“联姻”是早晚的事。换句话说,引力最终也是可量子化的,也由相应的玻色子来传递。这个设想中的粒子被称为“引力子”。

按照这个逻辑,任何第五种基本作用力都必须是量子化的,都该当有对应的玻色子。反之,我们要是发现了一种新的玻色子,就可以有把握地说,我们找到了一种新的基本作用力。

前面提到,我们引入新角色谋略是想一揽子解决三个问题。不过应付暴胀来说,这是一个138亿年前的一次性事故,不管肇事者是谁,它可以早就挣脱舞台了,我们无从追蹑。可是,当谈到另一个无法解释的天下之谜—暗物质和暗能量时,我们宛如有少少线索。

新的玻色子,新的作用力这要追溯到2015年,那时匈牙利一个考究小组醒目到,不稳定的同位素铍-8核衰变时出现变态,犹如说明受到一个寿命更短、运动迟钝的粒子的干扰。它的质量约为17MeV,是电子质量的三十倍多一点,但远小于大多数已知粒子的质量。而且最紧要的是,它看起来像一个玻色子。2019岁尾,该小组又汇报在氦原子核衰变中出现相似的变态,暗示着存在一种新的玻色子,它以一种新的方式与原子核内的中子在短距离内相互作用。

由于玻色子的质量跟它所传递的效用力的强度和效用力界线直接联系,考究人员企图出,该粒子传递的效用力是特殊弱的,要是将其假想成存在于暗物质与普及物质之间的相互效用力,如同蛮相符。因为我们理解,在暗物质与普及物质之间,除了引力,几乎异国其他效用;即使有效用,也是极其弱的。

这个发现以及对它的注释,引起极大的争议。一般来说,物理学家们神往的转达作用力的新粒子,要么质量特别重,转达的作用力距离特别短,以至于在当前人力所及的微观尺度上还显不出来;要么质量特别轻,转达的作用力特别弱,以至于在微观规模没关系忽略不计;这样,跟现有的理论才能协调一致。而目前预言中的新粒子,两者都不是,它的质量说轻不轻,说重不重。因此,这个注释要说服人,还须要做更多的工作。当然,最要紧的是先确认这个新粒子是否存在。当前意大利的一个小组正在做这类测试,预计2021年会宣布恶果。

寻找变色龙力与此同时,另一个研究小组正在假想一种强度会随着境遇而变更的力,他们称其为“变色龙力”。其思维是,传递变色龙力的粒子会依照周围境遇的物质密度而变更其质量,从而变更其强度和效用界线。在均匀物质密度较高的场所,变色龙粒子质量会更重,这意味着变色龙力在地球邻近效用界线较小,因而难以被我们探测到。但变色龙粒子的质量在星系之间空无一物的空间会小得多,在哪里它会有更大的效用界线—倘使它正好是斥力,就可以解释寰宇何以加速膨胀。

恐怕你对粒子质量会改换的主意感触稀奇。事实上,这类表象在物理学中并不鲜见。譬如,光从真空进入介质中传布,速度会慢下来。对于这一表象,我们大凡云云注解:静止质量为零的光子从真空进入介质后,在挺进途中遇到了介质的阻力。但尚有另一种注解:光继续在真空中传布,只是一开端静止质量为零,后来静止质量不为零了,因此速度慢下来。这两种注解是等效的:介质阻力等效于光子静止质量的添补。因此,粒子在传布途中改换质量,在物理学上是许诺的。

2018年,科学家进行了模拟,结果显示,寰宇中插足变色龙力之后,相似能酿成我们而今所看到的星系。而今的挑战是,看看寰宇在有变色龙力和别国变色龙力这两种处境下,其长期演化的结果中有别国什么细微差别,倘若有细微差别,就可能经过议定下一代千里镜来验证。

不过,有的人已经等不及了,他们希望经由过程尝试直接来寻找变色龙力。

2018年,英国的一个小组在地下测试室开展了一项测试。他们制作了一个保龄球大小的真空腔,主旨有一个玻璃弹子大小的金属球。遵守设想,若是存在变色龙力,它在金属球体和腔壁相近强度会大些,而在两者之间变色龙力的强度会松开。换句话说,变色龙力的力场是变动的。这样一来,若是在真空腔内以一个眇小的初速度扔进一个原子,它在运动流程中就会加速或减速,观察它的运动,就能走漏变色龙力的存在。自然,这个测试的精度要求非常高。

这个小组2019年汇报了结果。他们没有发现变色龙力存在的迹象,但理论家们不情愿,还在假想变色龙力“变色”的其他可能性。

这方面的劳动比来几年事实上很热点,上面举的只是此中的两例。

当代物理学成长有一个趋势,即物理学家总但愿把所有力统一起来—爱因斯坦后半辈子要紧就做这件事情。他们认为,只要把四种作用力统一起来,物理学的“大厦”就达成了。但暗物质和暗能量的浮现打破了他们的美梦,使他们意识到:我们现已拥有的四种基本作用力,只能解释遍及物质,而遍及物质如同只占 宇宙 物质-能量的5%;即便大统一的愿望兑现了,物理学“大厦”也远未达成。还有良多首要的事情等着物理学家们去干,而探索新的基本作用力,便是此中一件原理理由重大的事情。

拓展浏览基本作用力家族四昆季电磁力:评释原子为什么连络在一块儿以及一切与光有关的表象刻画它的理论:量子电动力学传达它的粒子:光子作用界线:无尽弱核力:导致放射性β衰变和点燃恒星核聚变的理由刻画它的理论:弱电理论传达它的粒子:W和Z玻色子作用界线:10米量级强核力:使质子和中子在原子核内连络在一块儿刻画它的理论:量子色动力学传达它的粒子:胶子作用界线:10米量级引力:使星系保持在一块儿,行星缠绕太阳运动刻画它的理论:广义相对论传达它的粒子:假使引力场是可量子化的,那就该当存在引力子作用界线:无尽什么是力?什么是基本作用力?

拿着这本杂志,或者向下滑动你手机的屏幕,你都在施加一种力:两个物体经过议定交兵发生的相互作用,也便是所谓的“交兵力”。这些作用力对物体运动状态的浸染,可以用牛顿运动定律来描写。

但基本功效力是一种相等区别的用具:即使不交兵,物体之间也存在这种功效。当牛顿在万有引力定律中第一次提出这种“远距离功效”时,他也感觉十分狐疑:不交兵的物体不能有相互功效呢。

此刻,我们搞理解了,这一切都要归因于充满空间的场的效用。在当代物理学中,场是一个比较更基本的观念。

什么是场呢?通俗地说,它们是两个物体之间的媒介。就我们现在所知的四种基本作用力中的三种,它们是陪同着被称为“玻色子”的粒子而来的量子场。这些粒子在两个物体之间抛来抛去,于是作用力就爆发了。

奇怪的是引力场。遵从广义相对论,引力是质量扭曲时空的产物。引力场在任何一点上的强度,实质上是一个有质量的物体使其方圆时空屈曲的程度。

在任何境遇下,把基本作用力和普通力区分开来的是,看它能不及终极被还原为另一种力或场。比方,摩擦力和空气阻力终极可以被还原为电磁力,因而它们就不是基本作用力。

第五种基本作用力已经有啦,只是……当正文中谈到第五种基本作用力八字还他国一撇的时期,物理学家全体有理由反驳:我们事实上已经发现啦。

2012年,物理学家在大型强子对撞机上发觉了希格斯玻色子。它对应的希格斯场,以授予全数其他粒子质量而驰名。可是希格斯场不仅仅是一个质量赐与者,它也是另一种基本作用力场,从理论上说,它有资格跻身基本作用力的家族中。

然则,你很少听到物理学家把它看成第五种基本作用力。原由是,希格斯子的质量太大了,希格斯场的作用界线小到几乎无法探测的田地,因而你假设固执地认定,“眼见为实”,只有看到它对物体的作用之后方能势必它的存在,那么我们只好招认,它的确还异国被发觉。

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